Nanorør selvorganiserer og vrikker:udviklingen af ​​et ikke-ligevægtssystem demonstrerer maksimal entropiproduktion

Termodynamikkens anden lov fortæller os, at alle systemer udvikler sig mod en tilstand med maksimal entropi, hvor al energi spredes som varme, og der er ikke tilgængelig energi tilbage til at udføre arbejdet. Siden midten af ​​det 20. århundrede har forskning har peget på en udvidelse af den anden lov for ikke -ligevægtssystemer:Maximum Entropy Production Principle (MEPP) siger, at et system væk fra ligevægt udvikler sig på en sådan måde, at entropiproduktion maksimeres, givet nuværende begrænsninger.

Nu, fysikere Alexey Bezryadin, Alfred Hubler, og Andrey Belkin fra University of Illinois i Urbana-Champaign, har demonstreret fremkomsten af ​​selvorganiserede strukturer, der driver udviklingen af ​​et ikke-ligevægtssystem til en tilstand af maksimal entropiproduktion. Forfatterne foreslår, at MEPP ligger til grund for udviklingen af ​​det kunstige systems selvorganisering, på samme måde som det ligger til grund for udviklingen af ​​ordnede systemer (biologisk liv) på Jorden. Teamets resultater er offentliggjort i Nature Publishing Groups online journal Videnskabelige rapporter .

MEPP ​​kan have dybtgående konsekvenser for vores forståelse af udviklingen af ​​biologisk liv på Jorden og af de underliggende regler, der styrer adfærd og udvikling af alle ikke -ligevægtssystemer. Livet opstod på Jorden fra den stærkt ubalancerede energifordeling skabt af Solens varme fotoner, der ramte en køligere planet. Planter udviklede sig til at fange højenergifotoner og producere varme, skaber entropi. Derefter udviklede dyr sig til at spise planter, hvilket øger spredning af varmeenergi og maksimerer entropiproduktionen.

I deres eksperiment, forskerne suspenderede et stort antal carbon nanorør i en ikke-ledende upolær væske og drev systemet ud af ligevægt ved at anvende et stærkt elektrisk felt. Når den er elektrisk opladet, systemet udviklede sig mod maksimal entropi gennem to forskellige mellemliggende tilstande, med den spontane fremkomst af selvsamlede ledende nanorørskæder.

I den første tilstand, "lavine" -regimet, de ledende kæder justerede sig selv i henhold til polariteten af ​​den påførte spænding, giver systemet mulighed for at bære strøm og dermed sprede varme og producere entropi. Kæderne syntes at spire vedhæng, da nanorør justerede sig selv for at støde op til tilstødende parallelle kæder, effektivt at øge entropiproduktionen. Men ofte, denne selvorganisering blev ødelagt gennem laviner, der blev udløst af opvarmning og opladning, der stammer fra de nye elektriske strømstrømme.

"Lavinerne var tydelige i ændringer af den elektriske strøm over tid, "sagde Bezryadin.

Efter laviner, kæderne med deres vedhæng "vred, "ligner en levende ting, ligner et insekt.

"Mod de sidste faser af dette regime, vedhængene blev ikke ødelagt under lavinerne, men snarere trukket tilbage, indtil lavinen sluttede, derefter reformeret deres forbindelse. Så det var indlysende, at lavinerne svarer til 'fodringscyklussen' for 'nanorørindsatsen', "kommenterer Bezryadin.

I den anden relativt stabile udviklingstrin, entropiproduktionshastigheden nåede maksimum eller nær maksimum. Denne tilstand er næsten stabil, idet der ikke var nogen destruktive laviner.

Undersøgelsen peger på et muligt klassificeringsskema for evolutionære faser og et kriterium for det punkt, hvor evolution af systemet er irreversibel-hvor entropiproduktion i det selvorganiserende undersystem når sin maksimalt mulige værdi. Yderligere eksperimenter i større skala er nødvendigt for at bekræfte disse underliggende principper, men hvis de holder stik, de vil vise sig at være en stor fordel ved at forudsige adfærdsmæssige og evolutionære tendenser i ikke -ligevægtssystemer.

Forfatterne tegner en analogi mellem udviklingen af ​​intelligente livsformer på Jorden og fremkomsten af ​​de wiggling bugs i deres eksperiment. Forskerne bemærker, at der er behov for yderligere kvantitative undersøgelser for at afrunde denne sammenligning. I særdeleshed, de skulle demonstrere, at deres "wiggling bugs" kan formere sig, hvilket ville kræve, at forsøget blev gengivet i en betydeligt større skala.

Sådan en undersøgelse, hvis det lykkes, ville få konsekvenser for den endelige udvikling af teknologier, der har selvorganiseret kunstig intelligens, en idé undersøgt andre steder af medforfatter Alfred Hubler, finansieret af Defense Advanced Research Projects Agency.

"Den generelle tendens til udviklingen af ​​biologiske systemer synes at være denne:mere avancerede livsformer har en tendens til at sprede mere energi ved at udvide deres adgang til forskellige former for lagret energi, "Bezryadin foreslår." Således kan der foreslås et fælles underliggende princip mellem vores selvorganiserede skyer af nanorør, som genererer mere og mere varme ved at reducere deres elektriske modstand og dermed tillade mere strøm at strømme, og de biologiske systemer, der leder efter nye midler til at finde mad, enten gennem biologisk tilpasning eller ved at opfinde flere teknologier.

"Udvidede fødekilder gør det muligt for biologiske former at vokse yderligere, formere sig, forbruge mere mad og dermed producere mere varme og generere entropi. Det forekommer rimeligt at sige, at virkelige organismer stadig er langt fra det absolutte maksimum for entropi -produktionshastigheden. I begge tilfælde, der er 'laviner' eller 'udryddelsesbegivenheder', der satte denne udvikling tilbage. Kun hvis al gratis energi givet af solen er forbrugt, ved at bygge en Dyson -kugle f.eks. og omdannet til varme, kan en bestemt stabil fase af udviklingen forventes. "

"Intelligens, så vidt vi ved, er uadskillelig fra livet, "tilføjer han." Således at opnå kunstigt liv eller kunstig intelligens, vores anbefaling ville være at studere systemer, der er langt fra ligevægt, med mange frihedsgrader-mange byggesten-så de kan selvorganisere og deltage i en eller anden udvikling. Entropiproduktionskriteriet ser ud til at være vejledende princip for evolutionseffektiviteten. "